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La tolérance des plantes à la sécheresse
D’un point de vue agricole, la gravité d’une sécheresse se définit par la disponibilité en eau du sol. En deçà d’un certain niveau, le métabolisme de la plante se modifie et son développement est ralenti. La question centrale pour l’agriculture est donc d’anticiper les conséquences du changement climatique sur le rendement des cultures pour proposer des adaptations.
D’ici 2100, les chercheurs prévoient une diminution de la disponibilité en eau des sols, principalement à cause du réchauffement, donc d’une augmentation de l’évapotranspiration, mais aussi à cause de la baisse de la pluviométrie. Avec une température plus élevée, les besoins en eau des plantes augmenteront, particulièrement pour les cultures semées au printemps. Leur cycle sera également modifié : les plantes parvenant plus tôt à maturité, la durée du semis à la récolte sera écourtée. Ainsi, pour la culture du maïs, les chercheurs prévoient d’ici 100 ans une période d’irrigation plus courte mais une quantité d’eau plus importante à apporter. En conséquence, des adaptations au changement climatique s’avèrent nécessaires. Les chercheurs travaillent à de nouvelles variétés économes en eau et plus précoces. Des cultures alternatives, comme le sorgho, constituent des pistes possibles : le sorgho est en effet mieux adapté à la sécheresse car son feuillage moins exubérant que celui du maïs transpire moins et ses racines plus profondes absorbent l’eau plus en profondeur.
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Comment l'eau circule-t-elle dans la plante ? – Les racines, grâce à leurs poils absorbants, assurent le prélèvement
de l’eau et des sels minéraux du sol, indispensables à la vie de la
plante. L’eau et les sels minéraux, qui constituent la sève brute, sont
ensuite transportés par des vaisseaux conducteurs, le xylème, à travers
la plante jusqu’aux feuilles. Les stomates, orifices présents à la
surface des feuilles, assurent les échanges gazeux et permettent la
transpiration et la photosynthèse. En cas de sécheresse, l’architecture
racinaire de la plante va se modifier et les flux de sève vont se
réduire. De plus, les stomates se fermeront, limitant ainsi les échanges
gazeux et freinant la croissance de la plante.
À la recherche de plantes tolérantes à la sécheresse – Les chercheurs visent à améliorer la tolérance des plantes à la
sécheresse en caractérisant, puis en modélisant, la variabilité
génétique de chaque espèce sur des fonctions importantes de la plante :
croissance foliaire, développement reproducteur, transpiration. La
tolérance à la sécheresse d’une plante est déterminée par l’adéquation
entre son comportement et les scénarios climatiques auxquels elle va
être exposée. Dispositif unique en France, la plateforme robotisée de
phénotypage à haut débit de Montpellier permet de connaître ce
comportement en exposant des plantes à des conditions contrôlées de
stress (déficit d’eau, températures élevées). L’ADN de ces plantes est
analysé de manière intensive, ce qui permet de caractériser la réponse
de la plante au stress au niveau génétique et en temps réel. Ce
phénotypage repose sur une connaissance précise de la carte d’identité
génétique (séquençage massif de l’ADN) et moléculaire propre à chaque
espèce végétale.
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Les chercheurs du Laboratoire d’écophysiologie des plantes sous
stress environnementaux de l’INRA de Montpellier étudient le
comportement des plantes face à différents stress (manque d’eau,
températures élevées), notamment les effets sur le développement des
feuilles et des racines, et sur la transpiration des plantes. Ils
fournissent des modèles permettant de prévoir quelles combinaisons de
fonctions (croissance, transpiration) sont susceptibles d’optimiser la
production en fonction du climat. Leurs travaux s’appliquent à l’analyse
de la variabilité génétique existante, passée ou future, principalement
sur trois espèces : le maïs, la vigne et la plante modèle Arabidopsis thaliana.
PhénoArch : une plateforme innovante pour analyser la tolérance à la sécheresse chez les plantes
Les préoccupations de l’agriculture face au changement climatique rendent urgent le développement de plantes qui tolèrent des contraintes environnementales plus fortes telles que le déficit hydrique, des températures plus élevées ou un air plus sec. Pour cela les chercheurs de l’INRA de Montpellier disposent depuis cette année d’une plateforme unique en France. Elle permet l’analyse quantitative simultanée du comportement de 1 650 plantes, cultivées dans une serre, pour en dégager les caractéristiques les plus intéressantes afin de sélectionner et d’améliorer des espèces d’intérêt agronomique. Cette opération a pu être réalisée grâce à un financement exceptionnel de l’INRA, au soutien du Conseil régional Languedoc-Roussillon et de partenaires (CNRS, CIRAD, Université Montpellier 2 et Montpellier SupAgro).
Un premier défi était technologique car il faut pouvoir mesurer sur des milliers de plantes plusieurs caractéristiques de façon simultanée et automatique, en même temps que les conditions environnementales. Un second défi était – et reste – scientifique, pour gérer et organiser de grandes quantités d’information, calculer des variables ayant un sens biologique à partir de variables brutes et les mettre en relation avec les conditions environnementales et les caractéristiques des génomes.
La plateforme PhénoArch permet l’analyse de 1 650 plantes, simultanément avec les conditions climatiques et l’état hydrique du sol mesurés toutes les minutes. Les plantes, qui peuvent être des céréales, de la vigne ou des petits arbres, sont cultivées en pots qui se déplacent sur des convoyeurs gérés informatiquement. La teneur en eau du sol est automatiquement contrôlée dans chaque pot par pesée et arrosage automatique pour obtenir une humidité cible pour chaque plante étudiée.
L’architecture et la surface foliaire de chaque plante sont suivies par des images en trois dimensions prises à intervalles réguliers. L’accumulation de biomasse est également estimée par imagerie, et la transpiration par pesées successives. Ces données permettent de calculer l’efficience d’utilisation de la lumière ou de l’eau des différentes variétés et espèces analysées. Chacun de ces caractères est ensuite analysé génétiquement pour identifier des modalités de gènes (allèles) qui apportent des avantages aux plantes en conditions de stress.
PhénoArch a ainsi la capacité d’identifier les déterminismes génétiques de caractères agronomiques essentiels mais difficiles à mesurer en plein champ. .
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- ResSources
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Centre INRA de Montpellier
Unité mixte de recherche INRA-Montpellier SupAgro
Laboratoire écophysiologie des plantes sous stress environnementaux – LEPSE
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INRA – Plateforme PhénoArch
INRA – L'eau, recherches pour une ressource vitale
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